一种鱼雷自导信号频率检测方法研究

邱 政，邓 开

(解放军91388部队，广东 湛江 524022)

随着鱼雷智能化的飞速发展，现代鱼雷具有越来越强的目标搜索、跟踪能力以及水声对抗能力，即鱼雷自导信号体制变得更为复杂，信号体制向宽频带、多频制、多组合方式方向发展，除了包括以往的单频信号、双频双脉冲信号及其组合运用外，目前又出现了具有新型组合形式的双频信号。谱线比值法是信号频率检测中的常用方法，其测量精度较高，能够满足靶标在早期鱼雷自导信号检测中的要求，被广泛应用于单频信号频率检测［1-3］。然而对于新的复杂的双频信号环境，该方法面临一些问题，必须对其加以改进才能继续满足频率检测要求。本文从谱线比值法在单频信号频率检测中的应用入手，阐述了其基本原理，同时针对双频信号频率特点，提出了相应的改进方法，并进行仿真，结果表明，改进后的谱线比值法能够适应复杂鱼雷信号体制下的各种形式信号的频率检测要求。

1 谱线比值法基本原理

谱线比值法是一种利用信号加窗后的频谱特点对信号进行精确测频的方法［4-5］，其基本原理是首先对信号进行采样，再将采集的数字信号加汉明窗，进行FFT运算得到它的幅度谱，计算谱图上最大旁谱线和主谱线的比值R，然后通过R与频谱中心位置Δi的对应关系求出Δi，最后就可以通过Δi和主谱线在谱图中的位置i求出信号的频率f0。原理框图如图1所示。

图1 谱线比值法测频原理框图

设单频信号x(t)=ej2πf0t，将其写成离散形式为

式中，f0为信号频率，fs为信号的采样频率，N为采样点数

对信号进行加汉明窗并进行FFT运算得到:

式中，w(k)为汉明窗函数，a为汉明窗常数。

设信号频率为

将式(3)代入式(2)中，得

信号加汉明窗后的频谱具有窗谱W(k)的形状，由一系列的谱线组成，其中最主要的有3根谱线，它们的特点是幅度比其他谱线的幅度要大。三根谱线中幅度最大的为主谱线，设它是频谱上的第i根谱线，即k=I，另两根谱线处于主谱线的两侧为旁谱线，分别是谱线上的第i－1和i+1根谱线。

设最大旁谱线与主谱线的幅度比值为R，即

式中，MAX表示取最大值，则通过式(4)、(5)可以很方便地建立出R与Δi的对应关系表。设采样频率fs=12800Hz，FFT运算点数N=256，频率分辨率设为1Hz，则可以导出R与Δi的对应关系如表1所示。其中Δi的正负号可以通过最大旁谱线在主谱线旁的位置来判断，当最大旁谱线处于主谱线的左边，则Δi为负;反之，则为正。通过表1所示的对应关系表，可以将信号频率检测精确到1Hz，如果要将信号频率精确到小数点后的位数，可以采用线性内插的方法，建立更精确的对应关系表。

在确定R与Δi的对应关系后，通过式(3)就能够求出信号频率f0，进行实现信号频率的检测。

表1 R与Δi的对应关系表

2 谱线比值法在双频信号频率检测中的改进方法

2.1 谱线比值法在检测双频信号频率时遇到的问题

双频信号，是指同一个脉冲内包含两个频率分量的信号，两频率分量信号之间无脉冲间隔，它们的组合形式一般有两种:双频叠加形式和双频组合形式［6-9］。对双频信号进行频率检测时通过分析双频信号频率检测的边界条件以及谱线比值法的原理，发现存在以下两个问题。

1)由于信号每次进行FFT运算时要更新全部数据点，因此在脉冲宽度很窄的情况下，有可能将同一脉冲内的信号分为两段进行处理，使参加运算的有效数据减少，会降低了接收机的灵敏度和频率分辨率，导致测频结果不准。

2)当信号存在两个频率分量时，在计算每个频率分量最大旁谱线和主谱线的比值R时，容易因为谱线定位不准而引起测量错误;同时由于噪声的污染，谱线幅值受到影响，因此计算比值R时就存在较大误差，影响测频精度。

2.2 谱线比值法的改进方法

针对谱线比值法存在的问题和不足，可以对其进行如下改进。

1)对数据进行重叠处理，采用滑动窗，每次更新部分数据点，即进行短时傅里叶变换。这种方法所需的数据处理量虽然会成倍增加，但能够较大程度地改善接收机的性能，尤其有利于在检测双频信号时分辨两个频率分量。

2)采用补零法，即在数据后面补上一定数量的零值数据，然后再进行FFT运算。这种方法虽然增加了数据处理量，也不能有效改善频率分辨率，但可以提高对主瓣峰值频率分量进行精确定位的能力。

例如:采样频率为128kHz，取512点数据进行FFT运算，可以设每次更新的数据点数为32点，每次补零数据点数为512点，则改进后的谱线比值法测频原理框图如图2所示。

图2 改进后的谱线比值法测频原理框图

3 测频误差仿真结果

3.1 单频信号频率检测误差

设信号工作频带为10kHz～40kHz，最小信噪比为14dB，采用改进后的谱线比值法检测单频信号频率，经过仿真计算可知测频误差在6Hz范围内。信号测频误差仿真结果如图3所示。

图3 单频信号测频误差仿真图

3.2 双频信号频率检测误差

3.2.1 双频叠加形式信号频率检测误差

根据靶标使用要求，采用改进后的谱线比值法对双频叠加形式信号进行频谱分析，可以同时检测到两个幅度基本相同的频率主峰，由于两个频率分量的最小频差为3kHz，因此能够正确区分两主峰位置。经过仿真计算可知两频率分量测频误差为8Hz左右，信号测频误差仿真结果如图4所示。

3.2.2 双频组合形式信号频率检测误差

对双频组合形式信号进行频谱分析，首先检测到第一个频率分量的主峰，对其进行测频。当开始检测到第二个频率分量超过门限时，由于此时第二个频率分量的数据量少，频率分辨率低，所以暂时不对其进行测量;当检测到两个频率分量的主谱线幅度差小于6dB时，对第二个频率分量进行测频，测频延迟时间小于2ms。经过仿真计算可知两频率分量测频误差在14Hz以内。信号测频误差仿真结果如图5所示。

图4 双频叠加形式信号测频误差仿真图

图5 双频组合形式信号测频误差仿真图

通过以上仿真可知，改进后的谱线比值法在检测单频信号频率时，测频误差为几个赫兹;在检测双频信号频率时，测频误差在较宽的频带内可以控制在14Hz以内，符合靶标测频精度要求。因此，改进后的谱线比值法能够适应包含双频信号的复杂的鱼雷自导信号体制，满足靶标信号检测需要。

4 结束语

改进后的谱线比值法虽然增加了信号处理量，对硬件信号处理速度的要求有所提高，但目前高速器件的发展十分快速，很容易就能够选配到相应的合适器件，因此在工程上也完全能够实现并满足使用需求。谱线比值法是靶标检测信号频率的有效方法，能够分辨复杂鱼雷自导信号频率，适应新型鱼雷自导信号体制，满足靶标使用和建设需求，具有良好的工程应用前景。

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